周國東

(美鉆石油鉆采系統(tǒng)(南京)有限公司，江蘇 南京 210000)

頁巖氣是一種以溶解、游離、吸附等多種方式賦予在粉砂質(zhì)泥巖，暗色泥頁巖的夾層以及底層部位自生自儲(chǔ)存的天然氣聚集。開采這種氣體需要高壓大口徑閥門，開采時(shí)設(shè)備承載交變載荷，承受酸性含砂物質(zhì)的磨損。筆者在借鑒相關(guān)閥門資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種壓裂鉆采閘閥。

1 工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

頁巖氣鉆采閘閥由閥體、閥座、閥板、上(下)閥蓋、上閥桿、液缸等零部件組成，如圖1所示，液缸通過閥桿帶動(dòng)閥板上下移動(dòng)而開關(guān)閥門。下部有平衡尾桿結(jié)構(gòu)，以保證閥門工作過程中的壓力平衡，最大限度減少開關(guān)力矩。閥體外部設(shè)有注脂結(jié)構(gòu)，油脂通過注脂器、閥桿進(jìn)入閥門密封面，使閥門達(dá)到零泄漏，便于對(duì)閥體內(nèi)腔進(jìn)行潤滑處理。閥門開啟時(shí)：泥砂經(jīng)過閥體、閥座以及閘板中孔。閥座與閥體之間依靠組合密封件、閥板與閥座靠金屬密封，泥砂無法進(jìn)入閥腔。閥門關(guān)閉時(shí)：泥砂被封閉在閥體、閥座和閥板組成的密閉空間里，泥漿無法進(jìn)入閥腔。全開或全閉是閥板工作狀態(tài)的兩個(gè)位置，嚴(yán)禁將閥門處于半開狀態(tài)。

該閥具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(如圖2)：(1)閥門設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以有效快速地開啟和關(guān)閉閥門。(2)閥座與閥板接觸面噴焊硬質(zhì)合金，閥座背面用V型組合密封(波形彈簧加PTFE)，由于有預(yù)緊力，可實(shí)現(xiàn)高低壓密封。(3)擋泥板設(shè)計(jì)，防止泥沙進(jìn)入閥腔。(4)U形組合桿密封由改性聚四氟乙烯與U形脹緊彈簧構(gòu)成，內(nèi)外多重唇口密封，可在含高濃度 CO2和 H2S的惡劣條件下長期工作且保持彈性。

圖1 頁巖氣鉆采閘閥基本結(jié)構(gòu)

圖2 頁巖氣鉆采閘閥特點(diǎn)

2 設(shè)計(jì)任務(wù)書

通徑103.5mm；-29～+121℃；規(guī)范等級(jí)：PSL3G；工作介質(zhì)：石油天然氣、H2S等;液控壓力：9～11Mpa。

3 關(guān)鍵細(xì)節(jié)分析

(1)理論計(jì)算及分析：根據(jù)API 6A，閥門設(shè)計(jì)手冊等，結(jié)合選用材料特性的對(duì)承壓件強(qiáng)度、最小壁厚、密封副的密封比壓、開閉扭矩進(jìn)行理論計(jì)算，然后通過計(jì)算機(jī)模型對(duì)其進(jìn)行有限元分析驗(yàn)算。閥體、閥蓋等(選用AISI 4130)熱處理理論機(jī)械性能如下：抗拉強(qiáng)度655Mpa，屈服強(qiáng)度517Mpa，延伸率17%，斷面收縮率35%；閥桿選用Inconel 718，抗拉強(qiáng)度1000Mpa，屈服強(qiáng)度827Mpa，延伸率20%，斷面收縮率35%。

(2)采用合理的工藝及檢測方法來滿足其設(shè)計(jì)目標(biāo)。原材料控制，三級(jí)鍛造，鍛造比大于等于4，依據(jù)ASTM 751，ASTM E354要求，用光譜分析對(duì)其進(jìn)行化學(xué)分析，確定元素偏差是否在規(guī)定范圍。熱處理控制，AISI 4130調(diào)質(zhì)熱處理，Inconel 718固溶加時(shí)效處理。為了驗(yàn)證材料是否符合使用要求的拉伸性能時(shí)，每爐批工件熱處理需要一根隨爐試棒，所需要的機(jī)械試驗(yàn)應(yīng)在隨爐試棒切取的試樣上進(jìn)行。

(3)對(duì)于流體的腐蝕性，依照API 6A，NACE MR0175，堆焊防腐層或用整體耐腐蝕合金材料。如閥體，閥蓋等流體接觸表面堆焊3.2mm以上耐腐蝕合金；閥桿用整體Inconel 718合金。對(duì)于密封副的耐磨性，閥板與閥座接觸面用超音速噴涂碳化物提高耐磨能力，在鏡面磨削下保證其粗糙度與位置公差。

(4)為防止在使用時(shí)產(chǎn)生潛在的裂紋導(dǎo)致爆炸或泄露的風(fēng)險(xiǎn)，主控件出廠前需要進(jìn)行無損檢測。在改善力學(xué)性能的熱處理后和限制檢驗(yàn)結(jié)果有效解釋的機(jī)加工之前進(jìn)行內(nèi)部超聲檢測；在可接觸的濕潤流體表面和密封表面在最終熱處理和最終機(jī)械加工后通過液體滲透探傷或磁粉法進(jìn)行檢查，探傷結(jié)果符合API 6A (PSL3G)要求。

(5)裝配完工的該閥要進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和密封壓力測試，目的檢測各部位連接的密封性和整體的耐壓能力及在最大壓差情況下閥門開啟和關(guān)閉能力，驗(yàn)證該閥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和可操作的合理性。

4 結(jié)束語

頁巖氣鉆采閘閥在壓裂氣井的開采過程中發(fā)揮重要作用，由于使用環(huán)境特殊，設(shè)計(jì)要求較高，故在制造檢驗(yàn)過程中做好各細(xì)節(jié)的控制，該閥通過相關(guān)壓力測試并在美國頁巖氣田使用，未出現(xiàn)卡阻問題，滿足鉆井作業(yè)要求。